対物レンズ（光学）

顕微鏡対物レンズの最も重要な特性の一つは倍率です。倍率は通常4倍から100倍の範囲です。これは接眼レンズの倍率と組み合わさって、顕微鏡全体の倍率を決定します。例えば、4倍の対物レンズと10倍の接眼レンズを組み合わせると、対象物の40倍の大きさの像が得られます。

一般的な顕微鏡には、倍率の異なる3つまたは4つの対物レンズが円形の「レボルバー」にねじ込まれており、これを回転させて必要なレンズを選択できます。これらのレンズは、使いやすくするために色分けされていることがよくあります。最も倍率の低いレンズは走査用対物レンズと呼ばれ、通常は4倍です。2番目のレンズは小型対物レンズと呼ばれ、通常は10倍です。3つの中で最も倍率の高いレンズは大型対物レンズと呼ばれ、通常は40～100倍です。

顕微鏡レンズの開口数は通常0.10から1.25の範囲であり、これはそれぞれ約40mm から2mmの焦点距離に相当する 。

歴史的に、顕微鏡は対物レンズが接眼レンズの近くの特定の平面に像を形成し、接眼レンズがそれを再結像するように設計されていました。このような顕微鏡は、対物レンズと接眼レンズの取り付け位置間の距離である機械的チューブ長によって特徴付けられていました。 ^{[ 1 ]}初期のイギリスの顕微鏡は、機械的チューブ長が10インチ（250 mm）でした。20世紀には、ほとんどの顕微鏡が王立顕微鏡協会の標準である160ミリメートルを使用していましたが、多くのライツ顕微鏡は170ミリメートルを使用していました。対物レンズは、顕微鏡の機械的チューブ長に合わせて選択する必要がありました。 

現代の顕微鏡は、対物レンズから出る光が無限遠に焦点を合わせる無限遠補正を使用するように設計されていることが多い。^{[ 2 ] [ 3 ]}これは対物レンズに無限大記号（​​∞）で示されている。

対物瞳径^{[ 3 ]}（入射瞳径^{[ 4 ]}または後部開口径とも呼ばれる）は、対物レンズの後部開口部の直径を指します。乾燥式無限遠補正対物レンズでは、この直径は${\displaystyle D}$は

${\displaystyle D=2\times NA\times f_{obj}}$

どこ${\displaystyle NA}$は開口数であり、${\displaystyle f_{obj}}$は有効焦点距離です。倍率${\displaystyle M}$有効焦点距離は^{[ 5 ]によって関連付けられる。}

${\displaystyle f_{tube}=Mf_{obj}}$

どこ${\displaystyle f_{tube}}$はチューブレンズの焦点距離です。チューブレンズの焦点距離はメーカーによって異なり、ライカとニコンは通常200mm  、オリンパスは180mm  、ツァイスは165mmを使用します 。^{[ 3 ]}

特に生物学的応用においては、試料は通常ガラス製のカバーガラスの下で観察されますが、このカバーガラスによって画像に歪みが生じます。このようなカバーガラスとの併用を想定して設計された対物レンズは、これらの歪みを補正するように設計されており、通常、対物レンズの側面に、対応するカバーガラスの厚さ（一般的には0.17  mm）が記載されています。

それに対し、いわゆる「冶金用」対物レンズは反射光用に設計されており、ガラス製のカバーガラスは使用しない。

カバーガラスを使用するか使用しないかという対物レンズの区別は、高開口数（高倍率）レンズでは重要ですが、低倍率の対物レンズではほとんど違いはありません。

基本的なガラスレンズでは、通常、著しく許容できない色収差が発生します。そのため、ほとんどの対物レンズには、複数の色が一点に集束するように何らかの補正が施されています。最も簡単な補正方法は、クラウンガラスとフリントガラスを組み合わせて2色を集束させるアクロマートレンズです。アクロマート対物レンズは、一般的な標準設計です。

酸化物ガラスに加え、特殊な用途では蛍石レンズもよく使用されます。これらの蛍石レンズ、あるいはセミアポクロマートレンズは、アクロマートレンズよりも色収差の補正に優れています。さらに収差を低減するために、アポクロマートレンズやスーパーアクロマートレンズといった、より複雑な設計のレンズも使用されます。

これらのタイプの対物レンズはすべて、球面収差を示します。画像の中心はピントが合っていますが、周辺部はわずかにぼやけます。この収差が補正された対物レンズは「平面対物レンズ」と呼ばれ、視野全体にわたって平坦な画像が得られます。

作動距離（略してWD）とは、試料と対物レンズ間の距離のことです。倍率が高くなるにつれて、作動距離は一般的に短くなります。スペースが必要な場合は、作動距離の長い特殊な対物レンズを使用できます。

顕微鏡の中には、100 倍を超える倍率と 1 を超える開口数を持つ油浸レンズまたは水浸レンズを使用するものがあります。これらの対物レンズは、屈折率が一致する油または水での使用のために特別に設計されており、前玉と物体の間の隙間を油または水で満たす必要があります。これらのレンズは、高倍率でより高い解像度を提供します。油浸では、最大 1.6 の開口数を実現できます。^{[ 6 ]}

顕微鏡に対物レンズを取り付けるために従来使用されていたねじ山は、 1858 年に王立顕微鏡学会によって標準化されました。 ^{[ 7 ]}これは、直径 0.8 インチ、1 インチあたり 36 本のねじ山を持つ英国規格ウィットワースに基づいています。この「RMS ねじ」または「協会ねじ」は、今日でも広く使用されています。あるいは、一部の対物レンズメーカーは、M26 × 0.75やM25 × 0.75などのISO メートルねじ山に基づいた設計を使用しています。